Empenos em substractos durante o processo de encapsulamento de memórias
Elsa W. Sequeiros
DIA MUNDIAL DOS MATERIAIS 2008
2ª MENÇÃO HONROSA ORDEM DOS ENGENHEIROS
EMPENOS EM SUBSTRATOS DURANTE O PROCESSO DE
ENCAPSULAMENTO DE MEMÓRIAS
ELSA WELLENKAMP DE SEQUEIROS*
Universidade do Porto, DEMM, Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais, Faculdade de
Engenharia,
Rua Dr. Roberto Frias, s/n 4200-465 Porto PORTUGAL
[email protected]
ABSTRACT: Warpage of electronic memories during manufacture may be caused by differences in the coefficient off
thermal expansion of the materials used: die, substrate, adhesive, gold wire, epoxy mold compound (EMC) and solder balls.
However, warpage is greatly affected by package design, dimensions of materials used in the assembly, process assembly
steps, equipments, etc. Taking into consideration the Assembly process at Qimonda PT, several experiences were done, in
order to reach the goals proposed in this study. Warpage of substrates was measured by profilometry 3D Nanofocus. After
measuring substrates during the Assembly process flow, the results revealed that the critical steps, i.e., steps of the assembly
process that have a larger impact on warpage and influence more manufacturing, were: Mold, Mold Cure and Solder Ball
Attach (SBA). This was the first part of the study as well as the longest one. In all other experiences related with the
identification of factors that might affect warpage, measurements were limited to these critical steps. It was concluded thatt
time and conditions of storage (clean room conditions and compartments under nitrogene flow), anti-warpage system and
modifications on formulations of EMC were some of the factors that may affect warpage. This increased with time between
the critical steps (in clean room conditions). Storage of the lots in compartments under nitrogene flow decreases warpage.
Failure of anti-warpage can induce an increment of 200µm in warpage. Modifications in EMC shrinkage (by varying fillers
cut dimensions) change the level of warpage. For 3 packages of different Silicon Ocupation Ratio (%SOR), the use of EMC
formulation with minor shrinkage improved warpage in the critical steps. Other factors tested have not showed any impactt
on warpage: different providers of substrates and forced cooling after Mold Cure. But, on the other hand, the use of forced
cooling decreased the cycle time and may increase productivity.
Keywords: Warpage, Assembly process, EMC
RESUMO: Na produção de memórias, os empenos (warpage) devem-se sobretudo a diferenças no coeficiente de expansão
térmica dos materiais que constituem as memórias: die, substrato, adesivo, fios de ouro, epoxy mold compoundd (EMC) e
bolas de solda. Contudo, os empenos (tipicamente com valores de décimas de milímetro) variam com uma diversidade de
factores: design do produto, dimensões dos materiais utilizados na montagem de memórias, etapas do processo,
equipamentos, etc. Considerando o processo de Assembly da Qimonda PT, foram efectuadas diversas experiências num
produto (512M T80 84) de forma a atingir os objectivos propostos. As medições do nível de empenos nos substratos foram
efectuadas recorrendo ao perfilómetro 3D NanoFocus. Após as medições ao longo de todo o processo de Assembly, aferiuse que as etapas críticas, isto é, com mais influência no nível de empenos e mais impacto em produção, eram: Mold, Moldd
Cure e Solder Ball Attach (SBA). Esta foi primeira e a mais demorada fase do estudo. Todas as avaliações seguintes,
relacionadas com a identificação de outros factores que pudessem influenciar o nível de empenos, puderam assim ser
restringidas às medições efectuadas apenas a seguir às etapas mais críticas. Identificaram-se, assim, alguns factores que
influenciam o nível de empenos: tempo e condições de armazenamento (armários de nitrogénio ou condições normais da
sala limpa) entre as etapas críticas do processo: sistema anti-warpage e alterações na formulação de EMC. O aumento de
tempo entre as etapas críticas do processo conduziu a um aumento do nível de empenos (em condições ambientais de sala
limpa). O armazenamento dos lotes (entre etapas) em armário de nitrogénio reduziu o nível de empenos. A não activação
(falha) do sistema de anti-warpage pode levar a um incremento do nível de empenos na ordem dos 200µm. Alterações no
módulo de contracção do EMC (induzidas por uma variação da dimensão média das fibras) alteram o nível de empenos.
Para 3 produtos de diferente ocupação média de silício (%SOR), a utilização da formulação de EMC com menor módulo de
contracção induziu melhorias expressivas no nível de empenos, durante as etapas críticas. Outros factores testados não
demonstraram impacto significativo no nível de empenos: fornecedores de substratos e arrefecimento forçado após a etapa
de Mold Cure. No entanto, o arrefecimento forçado mostrou ter impacto positivo na produção (por redução do cycle time).
Palavras chave: Empenos, processo de Assembly, EMC
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Empenos em substractos durante o processo de encapsulamento de memórias
1. INTRODUÇÃO
Estes empenos (distorções) são hoje em dia um dos maiores
problemas encontrados na indústria do encapsulamento de
componentes microelectrónicos. Os empenos existem com
alguma extensão ao longo do processo de encapsulamento
de memórias DRAM/RAM, desde as wafers até à memória
final singularizada, pronta para ir para o cliente. No entanto,
é durante o processo de encapsulamento de memórias,
usando substratos FBGA (Fine Ball Grid Array), que os
empenos são mais críticos; é necessário alterar parâmetros,
em algumas etapas, para que o produto seja processável. Por
vezes, o nível de empenos é de tal modo elevado que
provoca vários problemas durante o processo tais como:
desalinhamento entre o substrato e o die; colocação errada
das bolas de solda, o que se irá traduzir num mau contacto;
indução de fissuras durante ciclos térmicos, etc. Estes
problemas traduzem-se por vezes em produtos não
conformes [5].
O estudo presente foi realizado no âmbito do protocolo
FEUP-Qimonda. Devido à complexidade do problema de
empenos em substratos durante o processo de
encapsulamento de memórias e ao impacto deste em
produção na Qimonda PT surgiu a necessidade efectuar um
trabalho de pesquisa e medições. Com este pretendeu-se
identificar quais as etapas do processo Assembly (processo
de encapsulamento de memórias e RAM/DRAM) que mais
influenciam o nível de empenos nos substratos e identificar
possíveis factores que pudessem influenciar o nível de
empenos ao longo do processo de Assembly.
Na Qimonda PT, é montada e testada 7% da produção
mundial de memórias DRAM/RAM. A produção na
Qimonda PT divide-se em 2 grandes áreas de manufactura,
representadas pelos departamentos de Assembly Operations
(AO)1 e Test Operations (TO); possuindo ainda duas áreas
menores, denominadas de RDL (redistribution layer) e
Wafer Test, para além de áreas de suporte [1].
O presente estudo foi desenvolvido na área de Assembly,
onde são encapsuladas as memórias DRAM/RAM, existindo
dois tipos diferentes de montagem: TSOP (Thin Small
Outline Package) e BOC (board-on-chip). No primeiro, o
die é montado tendo por base uma leadframe (suporte
metálico) e, no segundo, tem por base um substrato. O
substrato em causa é bastante complexo, consistindo em
camadas alternadas de materiais poliméricos com fibras de
silício e camadas metálicas. Este substrato tem a mesma
função que a leadframe, isto é, servir de suporte para um
conjunto de componente [2].
Uma memória é composta por diversos materiais: epoxy
mold compound (EMC), die, adesivo, substrato, fios de ouro
e bolas de solda (figura 1) [2]; 90% do encapsulamento de
semicondutores é efectuado recorrendo ao uso de
compósitos de matriz polimérica, devido ao seu baixo custo,
fácil processamento e às suas excelentes propriedades
eléctricas [3]. O encapsulamento é efectuado para proteger
os dies dos ambientes adversos e dos choques mecânicos,
para promover uma estrutura suporte e o isolamento
eléctrico [4].
Geralmente, os materiais de matriz polimérica usados
possuem um coeficiente de expansão térmica (CTE) quatro a
seis vezes maior que o do die de sílica, que possui o circuito
microelectrónico [2]. A diferença de CTE’s nos diferentes
materiais que constituem uma memória, juntamente com
condições de processamento, temperatura e pressão, faz com
que ocorram empenos no substrato durante o encapsulamento dos dies [3].
Fig. 1. Secção transversal de uma memória DRAM,
identificação dos materiais [2].
No entanto, cada caso é um caso, pois este problema
depende de diversos factores: design do produto; dimensões
e tipos de substrato; geometrias, espessuras e propriedades
dos materiais que constituem um componente; processo de
fabrico, condições de temperatura e pressão, ao longo das
diversas etapas; e muitos outros (equipamentos, etc.) [6].
1.1.
Processo de Assembly
A indústria de componentes microelectrónicos e de
computação é possivelmente uma das mais desenvolvidas
tecnologicamente. Os processos envolvidos são de elevada
tecnologia e bastante optimizados, de forma a melhorar
custos de produção. A produção de memórias não é
excepção, sendo um dos componentes microelectrónicos
mais complexos e que tem gerado investimentos avultados
na área da investigação. O seu fabrico passa por várias
etapas, cuidadosamente desenvolvidas com vista a optimizar
a produção em quantidade e qualidade [7,8].
Na Qimonda PT, a produção de memórias é efectuada a
partir da recepção dos wafers vindos das fábricas de frontendd (início da linha de produção de memórias). A partir
desta, são efectuadas 12 etapas até que o produto esteja
finalizado, seguindo-se o processo de teste (Test
Operations), a marcação e o embalamento (MSP) [7,8].
Para melhor compreender a complexidade do processo e o
problema de empenos, encontram-se descritos abaixo os
passos do processo de Assembly.
1 - Wafer test: teste das unidades ainda em wafer. Nesta
etapa, os wafer’s são testados electronicamente para
verificar a integridade e bom funcionamento dos dies. Os
wafers são placas circulares de silício com 200 ou 300mm
de diâmetro, em que estão presentes centenas de pequenos
dies,
com
milhões
de
transístores,
gravados
fotolitograficamente. Porém, nem sempre esta etapa é
realizada na Qimonda PT (fábrica de back-end); usualmente,
é efectuada em fábricas de front-end [2,7].
2 - Pre-assembly: consiste na diminuição de espessura do
waferr por desbaste e no corte deste por laserr em unidades,
dies [7].
1
Ao longo deste trabalho foram mantidas as designações originais
adoptadas na indústria de semicondutores.
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3 - Printing: é efectuado nos substratos e consiste na
colocação do adesivo por stencil, como se pode ver na figura
2. Este adesivo serve para colar posteriormente o die ao
substrato [7].
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Esta conexão é estabelecida por meio de um fio de ouro
recorrendo a um eléctrodo, um capilar, ultra-sons,
temperatura e força. Inicialmente, usando o eléctrodo
derrete-se a ponta do fio de ouro por meio de uma descarga
de 400 volts que ioniza o ar; com ajuda de um capilar esta
ponta é pressionada contra o pad
d (contacto no substrato).
Aplicando-se no final temperatura e ultra-sons cria-se uma
interface intermetálica entre o fio de ouro e o pad
d [2].
8 - Plasma pré-Mold: eliminação de potenciais
contaminações orgânicas e preparação das superfícies para
melhor adesão do EMC ao die e ao substrato. Este processo
é efectuado através de uma mistura de gás ionizado a baixa
pressão [2,7].
Fig. 2. Etapa de colocação de adesivo no substrato
(Printing) [7].
9 - Mold: injecção de EMC, que vai cobrir os dies e as
ligações eléctricas efectuadas entre o substrato e os dies
(channel bond), ficando o substrato com o aspecto
apresentado na figura 5 [7].
Esta etapa possui um último passo de cura, B stage cure, que
serve para eliminar os solventes e estabilizar
dimensionalmente o adesivo. O B stage Cure é efectuado num
forno, segundo um perfil de tempo e temperatura dividido em
3 etapas: pré-aquecimento, aquecimento e arrefecimento [2].
4 - Die-bond: colocação dos dies no substrato em cima da
área de adesivo, por aplicação de pressão e calor num curto
espaço de tempo, apresentando o aspecto final ilustrado na
figura 3 [2,7].
Fig. 5. Substrato depois da etapa de Mold
d [7].
10 - Mold Cure: estabilização e cura final do EMC a 175°C,
durante 2 horas, num forno de estufa. Nesta etapa é feita a
eventual eliminação de humidade [2,7].
11 - Plasma BP: eliminação de potenciais contaminações
orgânicas e preparação das superfícies dos ball pads, para a
colocação de fluxo e, posteriormente, das bolas de solda.
Operação semelhante ao Plasma Clean [7].
Fig. 3. Colocação do die no substrato [7].
5 - Cura de Bond: ciclo de cura após Die-Bond
d à
temperatura de 175°C, durante 4 horas. Esta etapa tem como
finalidade a cura do adesivo, obtendo este a sua estabilidade
física/química final, e, eliminar algum solvente residual da
etapa de Printing, assim como humidade na interface dieadesivo [2,7].
6 - Wire-Plasma: limpeza das superfícies através do
processo de plasma antes da etapa de Wire-Bond. Nesta são
eliminadas as possíveis contaminações orgânicas que podem
afectar as ligações eléctricas a efectuar [7].
7 - Wire-Bond: esta etapa consiste em estabelecer uma
conexão eléctrica entre o die e o substrato, como está
ilustrado na figura 4 [7].
12 – Solder Ball Attach (SBA): colocação das bolas de
solda sobre os pads de forma a criarem-se contactos
eléctricos e mecânicos (figura 6) [2,7].
Fig. 6. Substrato após a etapa de SBA [7].
Numa primeira fase, deposita-se o fluxo nos ball pads, onde
em seguida são colocadas as bolas de solda. Posteriormente
os substratos entram forno de reflow, que consiste num ciclo
térmico com 5 etapas. Durante o ciclo térmico ocorre a
união entre os ball pads e as bolas de solda, pelo processo
de brasagem, com a formação de uma interface
intermetálica [2].
13 - Singulation: corte dos substratos e singularização das
unidades, sendo este corte efectuado mecanicamente e
arrefecido por meio de água, como representado na
figura 7 [7].
Fig.4. Substrato após Wire-Bond
d [7].
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O interior da sanduíche, designado por core, é constituído
por fibra de vidro impregnada em resina; esta camada
confere ao substrato resistência mecânica e isolamento
eléctrico, tendo uma espessura de 150-220µm [9].
Fig. 7. Substrato em cima e memória em abaixo, após
processo de Singulation [7].
14 - Burn-in: teste de flutuações térmicas, com o intuito de
testar um ambiente de operação real a que os componentes
vão ser sujeitos [7].
15 - Test: teste eléctrico, em que é avaliado o comportamento
das memórias, quando sujeitas a impulsos eléctricos [7].
16 - Mark Scan and Pack (MSP): verificada então a
conformidade, os componentes seguem para a etapa final,
que consiste numa inspecção 3D e na marcação dos mesmos
(com um número e logótipo gravável pela empresa) e no seu
empacotamento [7].
As etapas do processo de Assembly ocorrem numa sala
limpa de 10k (o número que antecede o k corresponde ao
número máximo de milhares de partículas por pé cúbico,
numa sala), do passo 1 ao 13; e numa sala limpa de 100K,
do passo 14 ao 16 [7].
1.2.
Materiais
Como anteriormente referido, uma memória é um
componente
microelectrónico
bastante
complexo,
constituída por diferentes materiais: die, substrato, adesivo,
EMC, fios de ouro e bolas de solda. No processo de
Assembly, os materiais representam 35% dos custos de
produção final do produto. Em seguida será feita uma breve
descrição dos diferentes materiais e constituintes para se
perceber o sistema complexo que é uma memória e os
efeitos que esta diversidade pode ter no empeno.
Substratos
Os substratos têm como função servir de suporte para um
conjunto de componentes. A sua estrutura é complexa,
consistindo numa máscara polimérica e numa sanduíche de
metal - compósito - metal. A máscara polimérica, solder
resist, com uma espessura de aproximadamente 30µm, serve
para proteger o substrato da oxidação. As camadas metálicas
são o suporte condutor entre o die e as ligações estabelecidas
com os outros componentes num
m módulo. Estas camadas são
constituídas maioritariamente por cobre, material condutor.
No entanto, estas camadas metálicas são por vezes revestidas
a níquel e ouro (materiais igualmente condutores), como se
pode ver na figura 8, de forma a aumentar a resistência
mecânica (Ni) e a resistência a oxidação (Au) [9].
Fig. 8. Contacto eléctrico no substrato, camada metálica e
seu revestimento. Espessura de cada uma das camadas e
função associada [9].
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Existem diversos fornecedores de substratos, verificando-se
diferenças entre eles: diferentes geometrias na zona de alívio
das tensões. A disposição das fibras de vidro no core
também pode ser diferente [10].
Adesivo
O adesivo serve de interface entre o substrato e o die, ou
seja, serve para colar o die ao substrato. O adesivo é
composto por resina epoxídica, fibras, solventes e aditivos.
Este é fornecido no estado pastoso sendo colocado sobre o
substrato e sofrendo, posteriormente (como referido no
ponto 1.1.) dois ciclos de cura. A primeira cura é apenas
parcial, permitindo a molhabilidade total do die. Em termos
de processabilidade, os ciclos de cura são críticos, podendo
ocorrer em alguns casos a fissuração do adesivo como
resultado da desgasificação irregular e absorção de
humidade [9].
Fio de Ouro
O fio de ouro é composto por 99.99% de Au e possui um
diâmetro de 23,5µm. É utilizado ouro em vez de outros
materiais condutores (alumínio ou cobre), devido a este
possuir maior conductibilidade e ductilidade, assim como
boa resistência à oxidação. A desvantagem do ouro é o seu
coeficiente de difusão elevado no alumínio, o que pode
levar, em algumas condições, ao crescimento não uniforme
de intremetálicos; por sua vez, isto pode induzir fragilização
na junta [9].
Epoxy Molding Compound
O EMC tem como finalidade cobrir quer os fios de ouro
expostos, quer o die, de forma a protegê-los dos ambientes
adversos e de choques mecânicos e ao mesmo tempo
permitir o manuseamento dos componentes e montagem em
módulos. Este é composto porr resina epoxídica (20%),
endurecedor (10%), fibras de sílica (70%); e adições de
catalisador (1%), agente desmoldante (<1%), modificadores
(<5%) e outros aditivos (retardadores de chama, Br) (<2%)
[9].
Cada um destes constituintes tem a sua finalidade e confere
ao EMC as seguintes propriedades:
• As fibras dão as propriedades físicas básicas, como
os módulos (E, G e K) e a condutividade térmica;
• O catalizador serve para acelerar o processo de cura;
• A resina epoxídica, conjuntamente com o
endurecedor, confere molhabilidade, propriedades
mecânicas e eléctricas, e estabilidade térmica;
• Os aditivos são diversos: desde retardador de chama
a agentes colorantes, tendo cada um, como o seu
nome indica, uma finalidade diferente [11].
Os parâmetros critícos do EMC são: viscosidade,
temperatura de transição vitrea (Tg), CTE, resistência
mecânica, módulo de contracção, conductividade térmica e
eléctrica e absorção de humidade [9]. Alterando a
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formulação é possível alterar algumas destas propriedades;
por exemplo, o CTE diminui com o aumento em volume de
fibras [12].
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Num típico substrato o empeno pode ser positivo (crying face)
ou negativo (smilling face), como ilustrado na figura 9 [13].
Bolas de Solda
As bolas de solda permitem o contacto mecânico e eléctrico
com outros componentes na montagem de módulos. Estas
têm uma composição base de estanho, prata, cobre e níquel;
e o seu diâmetro depende do produto, podendo ter 400, 450
ou 475µm. Os parâmetros críticos das bolas de solda são: a
condutividade eléctrica, resistência à oxidação, resistência
mecânica, geometria e rugosidade. Durante a etapa de SBA,
é utilizado um outro material, o fluxo, que promove a
brasagem entre o substrato e as bolas de solda [12].
1.3.
Factores susceptíveis de criar empenos
Hoje em dia, a produção de memórias é efectuada em
grandes quantidades. Para tal, são encapsuladas, ao mesmo
tempo, várias memórias num substrato. No entanto, devido
ao design (diversas memórias por substrato) e à tendência da
diminuição de tamanho e espessura das memórias, criam-se
empenos de grande extensão, induzidos pela não
compatibilidade dos materiais ao longo do processo [13]. Os
empenos são um dos maiores problemas na manufactura de
produtos BOC pois uma planaridade razoável nos substratos
é crítica para as etapas do processo de singularização das
unidades e processos de soldabilidade (por exemplo, SBA)
[12]. Durante o processo de Assembly da Qimonda PT
(descrito no ponto 1.1 deste estudo), existem algumas etapas
que são influenciadas negativamente pelo aparecimento de
empenos (sendo em alguns casos necessária a paragem dos
equipamentos). Ao que tudo indica (por experiências
confirmadas em produção), os passos 10, 12 e 13 podem ser
influenciados negativamente pela existência de empenos:
• Em Mold, os substratos ficam encravados, antes da
moldação nas magazines (estrutura de suporte usado
em produção para transportar os substratos) ou
durante a própria moldação (vários passos dentro do
equipamento);
• Em SBA, os substratos ficam encravados nos vários
passos do processo, dentro do equipamento (guias),
assim como a aplicação de fluxo não é uniforme e/ou
ferramentas de manipulação não conseguem segurar
os substratos (erro/falha de vácuo). Havendo
problemas na aplicação de fluxo, existem
potencialmente falhas por gold pad
d (não existência
da bola de solda no pad);
• Em Singulation, os substratos ficam encravados nos
vários passos do processo, dentro do equipamento
(guias), assim como as ferramentas de manipulação
de substratos não conseguem segurar nos substratos
(erro/falha de vácuo).
Os empenos são induzidos pela diferença de CTE’s nos
diferentes materiais que constituem um componente
microelectrónico, juntamente com as condições de
processamento [3]. São sobretudo as etapas do processo que
possuem elevadas temperaturas e ciclos térmicos que vão
influenciar a criação de empenos [5].
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Fig. 9. Caracterização dos empenos pela sua curvatura [15].
A curvatura e o nível que um empeno adquire dependem de
variados factores como: design, geometrias e propriedades
dos materiais que constituem o produto; processo e seus
parâmetros, assim como o equipamento [4].
Hoje em dia tende-se a que um
m substrato incorpore o maior
número de componentes possíveis, diminuindo o
espaçamento entre estes o que faz com que haja menores
zonas de alívio de tensões e por conseguinte maior nível de
empenos [13]. Outro factor que influencia o nível de empenos
é a espessura e a dimensão do die; variando estes factores
varia-se o nível de empenos. De produto para produto o
design, a quantidade de dies, o tipo/espessura dos materiais
utilizados durante o encapsulamento, bem como os
parâmetros de processo influenciam consideravelmente o
nível de empenos [5]. Usualmente, subdividem-se os produtos
em três classes: baixa, média e alta ocupação de silício
(percentagem de área total ocupada por dies2 numa matriz de
um substrato -%SOR) sendo este um factor crucial para a
escolha das formulações de EMC a utilizar. No entanto,
existem outros factores que podem interferir: espessura do die
(acima referido) e a espessura do adesivo; para tal, calcula-se
o SVR (percentagem em volume de silício numa matriz). Para
produtos de SOR médio o SVR é na ordem dos 20%; este
valor pode flutuar de 2 a 6%, dependendo ou não da
consideração da altura do adesivo no seu cálculo [14,15].
Entre as propriedades dos materiais constituintes da
memória, aquelas que possuem mais impacto na criação dos
empenos são: o módulo de Young (E), a Tg, o módulo de
contracção (İ) e os CTE’s (figura 10) [9].
Fig. 10. CTE’s e módulos de elasticidade dos principais
materiais num produto BOC [10].
Os empenos são induzidos sobretudo durante etapas de cura
e arrefecimento, de materiais de matriz polimérica [12]; é
sobretudo após a etapa de Mold
d que se verifica uma maior
variação de empenos, existindo um arrefecimento desde os
175ºC (temperatura de moldação) até à temperatura
ambiente aliado à introdução em grande volume de um
material de matriz polimérica (EMC) [12]. Durante o
arrefecimento, está presente um jogo de forças representadas
na figura 11. Se a força exercida pelo EMC (FEMC) for igual
à força exercida pelo substrato (FSub), então o equilíbrio
seria perfeito e não existiria qualquer nível de empeno.
2
Vulgarmente considerado como sendo constituído na totalidade
por silício.
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Empenos em substractos durante o processo de encapsulamento de memórias
Porém, isto é muito raro, sendo mais provável que
FEMC>FSub logo o empeno possuí uma curvatura côncava
(smilling face); ou, FEMC<FSub apresentando o empeno uma
curvatura convexa (crying face) [9].
Fig. 11. Esquema de forças representativas da reacção do
arrefecimento na etapa de Mold [9].
O jogo de forças é comandado, desde a temperatura da
operação de moldação até à temperatura ambiente, pela
reticulação das cadeias poliméricas do substrato e do EMC
que vão encapsular o die [12].
Para além dos factores anteriormente referidos, também se
devem ter em linha de conta o tempo, as condições ambientais
durante a produção e o tipo de equipamentos na criação de
empenos durante o encapsulamento das memórias [5].
Usualmente, as geometrias e as dimensões dos componentes que
constituem o produto são definidas na fase de desenho do
projecto, pelo qual é difícil efectuar modificações a este nível
para provocar uma melhoria no nível de empenos. As condições
de processo de cada etapa são também difíceis de se alterar pois
estas usualmente são padronizadas de acordo com as infraestruturas e manufactura, pelo quee alterá-las gera entropia e
requer custos de alteração do processo, em investimento e
qualificação. Porém, existe a solução, economicamente viável, de
alterar as propriedades dos materiais
e
que constituem o produto.
Usualmente essa modificação é efectuada a nível do EMC, por
este ser o material que provoca, em maior extensão, o
aparecimento de empenos [12].
Por vezes, alterações no EMC (na sua formulação) trazem
melhorias, baixando o nível de empenos criados [6]. A
formulação do EMC pode ser alterada de forma a modificar
algumas das suas propriedades (CTE’s, Tg, E e módulo de
contracção) [13]. Desta forma, o estudo das características e
propriedades do EMC é crucial para uma melhor compreensão
do fenómeno de empenos [6]. Os CTE’s do EMC são
influenciados sobretudo pelo volume e tamanho de fibras. O
módulo de contracção depende sobretudo dos mecanismos de
polimerização e da cinética de cura. Já a temperatura de
transição vítrea, Tg, depende sobretudo da rigidez das cadeias
poliméricas, do peso molecular das cadeias e do volume livre
entre as cadeias (interacções químicas) [13].
diferente. Em todas as experiências foi considerado o
mesmo produto e o mesmo método de medição do nível de
empenos. Nos pontos seguintes, faz-se uma breve descrição
do produto, do equipamento e do procedimento de medição
do nível de empenos.
Fig. 12. Diferentes experiências efectuadas neste trabalho.
2.1.
Produto
Existem diversos produtos BOC em produção na Qimonda
PT; estes possuem diversas aplicações desde as gráficas até
às móveis.
O estudo presente foi restringido a um produto de média
ocupação de silício, nomeadamente o produto 512M T80 84,
não só por este ser um produto de elevado volume em
produção mas também por ser um dos que apresenta um
nível de empeno que influencia negativamente a produção
(como descrito no ponto 1.3.).
Este produto é processado num substrato composto por três
matrizes, tendo cada matriz 35 componentes, o que perfaz
um total de 105 componentes por substrato (ver figura 13).
De acordo com as dimensões do die, este produto apresenta
um SOR de 41% e SVR de 23,81%. Na figura 14, encontrase o desenho de definição de uma única memória, com as
respectivas dimensões.
Fig. 13. Desenho geométrico do substrato para o produto em
estudo [cedido por Qimonda PT].
Em suma, é crucial conhecer o mecanismo pelo qual se criam
empenos, saber caracterizar os empenos e saber melhorar o
nível dos mesmos, uma vez que estes se reflectem no
processo, desde a implementação do die no substrato até à
singularização dos componentes, vindo também a reflectir-se
na montagem dos componentes em módulos, ocorrendo
muitas vezes esta etapa já nos clientes [15].
2.
PROCEDIMENTO
De forma a atingir os objectivos propostos para este estudo,
efectuaram-se seis experiências (ver figura 12) embora cada
experiência possua um procedimento e um objectivo
50
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Fig. 14. Desenho de definição do produto em estudo de
acordo com a ISO 8015 [cedido por Qimonda PT].
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Empenos em substractos durante o processo de encapsulamento de memórias
2.2.
Equipamento /Medição de empenos
O equipamento utilizado para efectuar as medições do nível
de empenos foi um NanoFocus µscan®; este é um
perfilómetro a laserr 3D. É um equipamento flexível e
facilmente automatizável, permitindo medições rápidas, sem
contacto com as superfícies (método não destrutivo). O
NanoFocus µscan® permite utilizar diversos sensores
incorporados e possui diferentes softwares associados, com
um leque vasto de aplicações [17].
O sensor utilizado para a medição de empenos é um sensor
holográfico (CP), que se fundamenta na holografia conoscópica. Para a medição do nível de empenos neste trabalho foi
utilizado um sensor CP42, tendo uma resolução na direcção
x e y de 15ȝm e em z de 6ȝm [18].
Os empenos foram medidos em cada matriz do substrato nas
direcções x, y, e xy usando o software autosoftt com a receita
para produtos de três matrizes (ver figura 15).
Elsa W. Sequeiros
vindas do fornecedor), pertencentes a 4 lotes diferentes do
mesmo
fornecedor:
MHB0033300,
MHB0030500,
MHB00322S0 e MHB0420200. Destes, retiraram-se
aleatoriamente 28 substratos e formaram-se 4 lotes
produtivos. Os 4 lotes foram processados nos mesmos
equipamentos e com os mesmos batches de material (adesivo,
EMC, bolas de solda e fluxo). Efectuaram-se medições do
nível de empenos (como referido em 2.2), em todos os
substratos, ao longo de todo o processo de Assembly de
acordo com o fluxograma (apresentado na figura 16). Entre
etapas, os lotes foram guardados em armários de nitrogénio.
Na etapa de Singulation não se efectuaram medições uma vez
que os componentes já se encontram singularizadas; contudo,
fizeram-se passar os lotes, dois a dois, por cada um dos
equipamentos diferentes de Singulation, de forma a ver o
impacto nesta etapa. Estes dois equipamentos diferem no
modo de processamento, pois possuem sistemas diferentes de
guias à entrada e ferramentas diferentes para secar os
componentes (dry block’s).
Fig. 15. Método de medição efectuado no estudo.
Neste estudo (ponto 3.), serão apresentados apenas os
valores do nível de empenos na direcção xy, visto ser esta a
direcção em que os empenos têm maior impacto na
produção.
3.
ETAPAS DO ESTUDO
Como referido anteriormente, foram realizadas seis
experiências neste estudo; neste ponto do estudo encontramse descritos o procedimento, a análise e discussão de
resultados para cada uma delas, tendo em conta a utilização
do produto e o método de medição, anteriormente descritos.
3.1.
Influência das etapas do processo
Esta experiência teve como objectivo identificar as etapas do
processo de Assembly que influenciam em maior extensão o
nível de empenos. No entanto, uma das questões que se
colocava era se existia ou não algum nível de empenos
aquando da entrega dos substratos. Com o intuito de
verificar a extensão do nível de empenos nos substratos,
antes de iniciar o processo Assembly, incluiu-se esta etapa
no plano de medições.
Procedimento
Para a realização desta etapa do estudo foram utilizados
substratos do mesmo fornecedor (MCT), de forma a eliminar
ruído. Estes substratos tiveram origem em 4 bundles
(embalagens de substratos, tal e qual como chegam à fabrica
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Fig. 16. Fluxograma das medições do nível de empenos ao
longo do processo de Assembly.
Análise e Discussão de Resultados
Na figura 17, a título de exemplo, está representado o gráfico
resultante da medição do nível
í
de empenos num dos lotes
utilizados nesta etapa: cada barra corresponde a média do
51
04/06/09 8:42:28
Elsa W. Sequeiros
Empenos em substractos durante o processo de encapsulamento de memórias
nível de empenos nas três matrizes
r
de um substrato. Por
observação do gráfico, não só concluímos que existe um nível
de empenos elevado aquando daa entrega dos substratos, mas
também que este nível varia dentro do mesmo lote de
substratos (neste caso, entre 474 a 1139µm na direcção xy).
a)
b)
Fig. 17. Nível de empenos nos vinte e oito substratos do lote
MHBO420200 (MCT), aquando da sua recepção (Incoming).
Para uma melhor visualização do nível de empenos
encontram-se na figura 18 três imagens representativas de
um perfil 3D de um substrato no Incoming. Para efectuar o
perfil apresentado, utilizou-se o mesmo equipamento usado
nas medições do nível de empenos, NanoFocus com sensor
CP42, recorrendo-se ao software µsoft (permite traçar perfis
para uma visualização 3D do substrato). Note-se que o
sistema de medição para efectuar o perfil 3D é diferente do
sistema de medição do nível de empenos. Para efectuar o
perfil o equipamento tem como ponto de referência o centro
da matriz central, pelo que não existe relação entre a escala
da figura 18 e os valores apresentados no gráfico. No
entanto, em ambos os casos, pode-se verificar que a forma
do empeno neste caso é do tipo crying face.
c)
d)
Fig. 18. Perfil de um substrato no Incoming.
Não foram encontrados na bibliografia estudos referentes ao
nível de empenos em substratos antes de iniciarem o
processo de montagem de memórias. Contudo existem
valores especificados no Incoming para o nível de empenos
nos substratos na direcção y. De acordo com o procedimento
interno, os valores do nível de empenos nos substratos
utilizados estão dentro da especificação. E, este nível de
empenos no início do processo de Assembly não tem
impacto significativo; porque o substrato é nesta fase
bastante flexível.
52
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Fig. 19. Gráficos do nível de empenos ao longo do processo
de Assembly (por ordem de etapa do processo da direita para
esquerda), para cada um dos lotes de substratos: a)lote
MHB0030500, b) loteMHB0420200, c)MHB0033300 e
d)MHB00322SO.
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04/06/09 8:42:29
Empenos em substractos durante o processo de encapsulamento de memórias
Os gráficos da figura 19 são resultantes de todas as
medições efectuadas de acordo com o fluxograma para cada
um dos lotes de substratos MCT. Cada coluna representa a
média do nível de empenos nos 28 substratos e para cada
etapa a barra mostra o respectivo desvio padrão associado.
No gráfico dos lotes MHB0030500 e MHB0420200 não se
apresenta o valor do nível de empenos na etapa de Die Bond
devido a estes, por lapso, terem sido de imediato
processados em Wire Plasma. Contudo, o nível de empenos
não é afectado significativamente pela etapa de Wire
Plasma, como se conclui da observação do gráfico da figura
20. Nesta encontram-se, a título comparativo, os valores
médios do nível de empenos, com e sem Wire Plasma, dos
outros dois lotes, onde se constata que a diferença entre
nível de valores médios é menor que a variação existente no
lote.
Elsa W. Sequeiros
• Após a etapa de Cura de Die Bond, os substratos
tendem a homogeneizar os valores do nível de
empenos, havendo diminuição do desvio padrão;
• As etapas de plasma (Wire Plasma, Plasma Clean e
Plasma BP) e a etapa de Wire Bond
d não afectam
significativamente o nível de empenos;
• Em Mold, a forma do empeno muda de curvatura,
passando para smilling face, e mantém-se até SBA,
aumentando em módulo o nível de empeno. A etapa
de Mold
d é a responsável pela maior variação do valor
absoluto do empeno;
• As etapas de Mold, Mold Cure e SBA são
consideradas críticas, por serem as etapas onde se
verifica uma mudança na curvatura do empeno, e um
aumento significativo do nível de empenos.
Fig. 20. Gráfico com o efeito do Wire Plasma nos lotes
MHB0033300 e MHB00322SO.
Da análise da figura 19, que em geral:
• O comportamento do nível de empenos ao longo do
processo de Assembly é semelhante nos 4 lotes;
• Na mesma etapa existe uma variação de valores do
nível de empenos dentro do mesmo lote e entre lotes;
a variação dentro do mesmo lote é na ordem dos 200300µm sendo mais elevada nos lotes MHB0030500 e
MHB0420200, sobretudo na etapa de Printing.
As variações apresentadas em cada etapa estão associadas à
variação previamente apresentada pelos substratos durante a
inspecção no Incoming. Porém, a variação em Printing é
mais significativa, não só devido à colocação de um novo
material (adesivo), mas também por, nesta etapa, apenas ser
efectuado um pré ciclo de cura (B stage cure), tendo ainda o
adesivo conjuntamente com o substrato bastante
flexibilidade.
Na figura 21, encontram-se representados os valores médios
e respectivos desvios padrão dos 4 lotes ao longo do
processo de Assembly. Deste gráfico podemos concluir que:
• Os lotes possuem já um nível de empeno, como
referido anteriormente, antes de iniciarem o processo
de Assembly (~756µm);
• Do Incoming até Plasma Clean o nível de empenos é
positivo crying face;
Ciência & Tecnologia dos Materiais, Vol. 21, n.º 1/2, 2009
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Fig. 21. Nível de empenos ao longo do processo de
Assembly.
Lin et al. [6] caracterizaram num sobre o impacto da
humidade no EMC a forma de empenos em algumas etapas
(Cura de Die bond, Mold e Mold Cure) para um produto
PBGA (Plastic Ball Grid Array), recorrendo ao sistema de
medição por Thermoiré (sistema diferente do utilizado neste
estudo). Embora não seja mencionado o design do produto
PBGA estudado, a forma de empenos neste tem um
comportamento idêntico ao produto em estudo: positivo em
Cura de Die Bondd e negativo em Mold
d e Mold Cure. De
acordo com a bibliografia mencionada, a mudança de forma
do empeno em Mold
d deve-se à introdução de EMC no
produto e à temperatura elevada durante o processo; o
aumento do nível de empenos nas etapas seguintes está
associado sobretudo aos ciclos de temperatura elevados.
Para uma melhor visualização do problema encontram-se
abaixo imagens (figuras 22 à 24) resultantes dos perfis do
produto traçados nas etapas críticas: Mold, Mold Cure e SBA.
Os perfis foram traçados escolhendo-se aleatoriamente um
substrato dos 4 lotes em cada uma das etapas; o método
53
04/06/09 8:42:30
Elsa W. Sequeiros
Empenos em substractos durante o processo de encapsulamento de memórias
utilizado para traçar os perfis foi o mesmo que o
anteriormente (apresentado na figura 18). Note-se que após
Mold
d (figura 22) o nível de em
mpenos é quase nulo e após
Mold Cure e SBA (figura 23 e 24, respectivamente) o empeno
adquire uma forma de smilling face, mais acentuada em SBA.
Após esta análise do efeito das diferentes etapas no nível de
empenos, restringiram-se as medições do nível de empenos
às etapas críticas, excepto na etapa “factor fornecedor”, onde
se incluiu o Incoming e Plasma Clean. A medição de
empenos serve para verificar o nível de empenos aquando da
entrega de substratos dos diferentes fornecedores e antes das
etapas críticas.
3.2.
Factor fornecedor
Este ponto do trabalho teve como finalidade verificar se
existe ou não influência na utilização de substratos de
diferentes fornecedores no nível de empenos.
Procedimento
Fig. 22. Perfil de um substrato na etapa de Mold.
Criou-se um lote de 36 substratos por fornecedor (MCT,
ASE e SHK); estes 36 substratos foram retirados de cada
bundle, aleatoriamente. Os 3 lotes produtivos criados
decorreram juntamente na linha de produção, tal como na
etapa anterior, de forma a garantir os mesmos equipamentos
e batches de materiais, reduzindo assim o ruído. Entre cada
etapa, os lotes foram guardados em armários de nitrogénio.
Foram efectuadas medições no nível de empenos em todos
os substratos, nas etapas do processo restringidas, de acordo
com os resultados do ponto 3.1. (ver figura 25).
Fig. 23. Perfil de um substrato na etapa de Mold Cure.
Fig. 25. Fluxograma das medições do nível de empenos na
etapa factor fornecedor.
Análise e Discussão de Resultados
Em cada etapa do processo existe variação dos valores do
nível de empenos de substrato para substrato do mesmo lote
(variação do desvio padrão) e de fornecedor para
fornecedor. O gráfico da figura 26 apresenta os valores
médios do nível de empenos e respectivos desvios padrões,
para os fornecedores de substrato em estudo, em algumas
etapas do processo de Assembly.
Fig. 24. Perfil de um substrato na etapa de SBA.
Ao processar os lotes, dois a dois, em máquinas diferentes
de Singulation, não se verificou qualquer impacto na
produção, estando os empenos após SBA dentro dos níveis
aceitáveis (+600 a -400µm).
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Empenos em substractos durante o processo de encapsulamento de memórias
Elsa W. Sequeiros
dos quais, 8 foram guardados em
m armários de nitrogénio e os
outros 8 foram expostos às condições ambientais de
produção (sala limpa de 10 k). Todos os substratos foram
sujeitos a medição do nível de empeno em cada etapa e para
os tempos de medição estipulados (de forma a verificar a
evolução do nível de empenos com o tempo e com as
condições de armazenamento).
Tabela.1 – Tempos máximos e mínimos entre etapas e tempos de
medição.
Etapas
Mold
Mold Cure
SBA
Fig. 26. Gráfico comparativo do nível de empenos para
fornecedores diferentes de substratos, no Incoming, na etapa
de Plasma Clean e nas etapas críticas.
Por observação do gráfico, pode concluir-se que:
• O nível de empenos possui o mesmo comportamento
para os três fornecedores e é semelhante ao já
anteriormente descrito: positivo no Incoming e
Plasma Clean, mudando
posteriormente de
curvatura na etapa de Mold, passando para negativo e
aumentando até SBA;
• Os substratos ASE, nas etapas Incoming e Plasma
Clean, registam um nível de empenos superior ao
apresentado nos substratos SHK e MCT. Este
comportamento acabou por resultar num nível de
empeno inferior após a operação de SBA;
• Embora existam algumas variações de fornecedor
para fornecedor de substratos no nível de empenos,
estas não são maiores que a diferença de lote para
lote do mesmo fornecedor (ver resultados da etapa
anterior), pelo que o factor fornecedor não tem um
impacto muito significativo no nível de empenos.
3.3.
Tempo
mínimo
Tempo
máximo
Tempos de
medição (h)
0
<4h
0, 1, 2, 3 e 4
22min
4h:35min
0,1,3,9,27 e 81
2h:22min
7h:17min
0, 1, 3, 5 e 7
O tempo de medição considerado como 0h foi: de 30
minutos após Mold e SBA, e, de 1h (tempo de arrefecimento
dos lotes) após a etapa de Mold Cure. As 81 horas foram
consideradas como tempo extremo após Mold Cure de
forma a verificar o “efeito quarentena”. Este efeito consiste
em deixar os lotes, com nível elevado de empenos após
Mold Cure, em repouso durante um/dois dias para que o
nível de empenos diminua. Existem casos reportados em
produção de alguns produtos onde se verifica este efeito.
Análise e Discussão de Resultados
O gráfico da figura 27 é resultado das medições efectuadas
nesta fase do estudo. Para cada etapa crítica do processo de
Assembly encontra-se a média do incremento no nível de
empenos em função do tempo, em condições ambientais da
sala limpa e nos armários de nitrogénio.
Factor tempo e condições de armazenamento
Esta etapa do estudo teve como objectivo verificar a
possível influência do tempo e das condições de
armazenamento no desempenho dos substratos a nível de
empenos durante o processo de Assembly.
Procedimento
Com o intuito de verificar a influência das condições de
armazenamento e o tempo entre etapas do processo de
Assembly realizaram-se medições nas etapas consideradas
críticas: Mold, Mold Cure e SBA. Em cada uma das etapas
foram estipulados tempos de medição de acordo com as
ocorrências em produção. Na tabela 1, encontram-se os
valores do tempo mínimo e máximo entre etapas, após uma
análise a oito lotes em produção e os tempos estipulados
para efectuar as medições em cada uma das etapas. Foram
considerados dois ambientes específicos: condições
ambientais da sala limpa e armários de nitrogénio. Em cada
uma das etapas foram recolhidos e marcados 16 substratos
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Fig. 27. Gráfico do incremento do nível de empenos com o
tempo nas etapas críticas.
Por análise do gráfico pode-se concluir que:
• O nível de empenos varia com o tempo nas etapas
críticas;
• Com o tempo o nível de empenos aumenta (em
módulo), tornando-se mais crítico para a
processabilidade do produto em estudo;
• O aumento do nível de empenos com o tempo é mais
acentuado quando os substratos estão expostos as
55
04/06/09 8:42:32
Elsa W. Sequeiros
Empenos em substractos durante o processo de encapsulamento de memórias
condições ambientais da sala limpa, pelo que em
tempos entre etapas maiores que 4h (paragem de
lotes) os lotes deverão ser guardados em armários de
nitrogénio de forma a não tornar o nível de empenos
crítico para os processos posteriores;
• Para este produto o efeito quarentena não se verifica,
uma vez que não se verifica uma diminuição no nível
de empenos após Mold Cure quando os lotes são
guardados em armários de nitrogénio.
3.4.
Factor anti-warpage
O anti-warpage/turnoverr (figura 28) é o processo que faz o
transporte dos substratos da moldação até a degating table
(mesa de remoção dos gitos - localizado em cada dois
substratos). O transporte dos substratos na turnoverr tem um
tempo de 9 segundos. A turnoverr tem associado um sistema
de vácuo, permitindo que os substratos após a moldação
arrefeçam mais rapidamente. Neste ponto do trabalho
pretendeu-se aferir a influência do anti-warpage no nível de
empenos.
Fig. 29. Incremento do nível de empenos com e sem antiwarpage em cada etapa crítica relativamente ao medido após
Plasma Clean.
Por observação da figura 29, conclui-se que:
• A não activação do anti-warpage no processo de
Mold
d induz um aumento de 200µm no nível de
empenos antes dos processo de SBA e Singulation, e
um aumento de 400µm após Mold.
Fig. 28. Sistema de anti-warpage existente no processo de
Mold.
Procedimento
Nesta etapa, foram efectuadas medições antes e após Mold,
após Mold Cure e SBA; cada um dos substratos estava
identificado de forma a obter o incremento do nível de
empenos (ǻexy) em cada etapa (ei) relativamente ao valor
antes de Mold (epc). Para verificar a influência do antiwarpage na etapa de Mold, fizeram-se passar 12 substratos
por este sistema (processo normal de produção); noutros 12
efectuou-se manualmente a passagem de uma ferramenta
para outra, evitando-se a passagem pelo anti-wrapage. Das
medições efectuadas pretendeu-se obter o incremento do
nível do empenos ao longo das etapas críticas do processo
de Assembly, com e sem anti-warpage.
Análise e Discussão de Resultado
O gráfico da figura 29 representa a média dos incrementos
no nível de empenos observados nos substratos medidos nas
etapas críticas com e sem anti-warpage.
56
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A activação do anti-warpage pensa-se que provoca no EMC
uma cinética de polimerização mais rápida (menor tempo
para a reticulação das cadeias poliméricas), o que se traduz
por um menor nível de empenos. A não activação deste
sistema pode causar empenos críticos, sendo prejudicial no
processamento do produto durante as etapas de SBA e
Singulation.
3.5.
Arrefecimento forçado
Este ponto do trabalho surgiu no seguimento de uma ideia
IQ, ideias para melhorias, proposta por um operador. A
sugestão consistiu em utilizar um arrefecimento forçado,
recorrendo ao uso de ventoinhas em prateleiras (sistema
existente e utilizado em MSP), após a etapa de Mold Cure,
diminuindo assim o intervalo de tempo entre as etapas de
Mold Cure e Plasma BP. Note-se que os lotes só podem
prosseguir para a etapa de Plasma BP depois de estarem à
temperatura ambiente. Levantou-se então a questão se o
arrefecimento proposto não iria induzir alterações no nível
de empenos. Desta forma, neste ponto do trabalho procurouse verificar a influência do arrefecimento forçado nos
empenos.
Procedimento
Foram consideradas duas condições diferentes: condições
reais e condições de arrefecimento mais abrupto e, em cada
uma delas, foram consideradas um arrefecimento normal
(arrefecimento utilizado em produção) e forçado
(arrefecimento proposto). Da figura 30 à 33, encontram-se
as imagens de cada um dos arrefecimentos efectuados.
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Empenos em substractos durante o processo de encapsulamento de memórias
Elsa W. Sequeiros
magazines (24 substratos). Tal como no caso anterior,
marcaram-se e efectuaram-se medições em todos os
substratos antes e após Mold Cure. Após a cura, colocou-se
uma magazine a arrefecer normalmente (figura 32) e outra a
arrefecer com ar forçado mesmo em frente da ventoinha
(figura 33), provocando um arrefecimento mais abrupto do
que nas condições reais devido a magazine possuir menor
massa do que a lancheira com as quatro magazines.
Fig. 30. Condição real: arrefecimento normal. Lancheira a
arrefecer nas prateleiras.
Análise e Discussão de Resultados
No gráfico da figura 34, mostra-se o incremento médio no
nível de empenos, com os diversos tipos de arrefecimento a
que os substratos foram submetidos.
Fig. 31. Condição real: arrefecimento forçado. Lancheira a
arrefecer nas prateleiras com sistema de ventoinhas.
Fig. 32. Condição de arrefecimento mais abrupto:
arrefecimento normal. Magazine a arrefecer nas prateleiras.
Fig. 34. Incremento do nível de empenos nos quatro tipos de
arrefecimentos
Da análise do gráfico (figura 34) concluímos que:
Fig. 33. Condição de arrefecimento mais abrupto:
arrefecimento forçado. Magazine a arrefecer nas prateleiras
com sistema de ventoinhas.
Para efectuar a avaliação das condições reais foi utilizado
um lote produtivo que ocupasse duas lancheiras (suporte que
permite transportar 4 magazines que por sua vez transportam
12 substratos cada uma). Marcou-se cada um dos substratos
no lote e efectuaram-se medições após Mold e Mold Cure,
de forma a saber qual o incremento que tem a etapa de Mold
Cure com cada um dos arrefecimentos. Em cada uma das
experiências mediram-se 12 substratos, três por magazine
(um de cima, um de baixo e um do meio da magazine).
Após Mold Cure, deixou-se uma lancheira a arrefecer em
condições normais de produção (figura 30) e outra a
arrefecer com ar forçado (figura 31).
Nas condições de arrefecimento mais abrupto foi utilizado,
também, um lote produtivo. Deste retiraram-se duas
Ciência & Tecnologia dos Materiais, Vol. 21, n.º 1/2, 2009
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• O arrefecimento forçado, após Mold Cure não induz
melhorias significativas no nível de empenos, não
parecendo haver diferenças significativas entre o
arrefecimento normal e o arrefecimento forçado em
ambas as condições (reais e mais abruptas);
• Comparando os resultados obtidos para as condições
reais e com o arrefecimento abrupto, verifica-se que
este último induz uma diminuição do nível de
empeno na ordem dos 200µm.
Após Mold Cure o EMC já polimerizou na sua totalidade, o
que poderá explicar a não influência de um arrefecimento
forçado no nível de empenos. Note-se também que em
ambos os tipos de arrefecimento, os substratos são sujeitos à
mesma variação de temperaturas, desde 175°C até à
temperatura ambiente.
Embora o arrefecimento forçado não traga melhorias
significativas no nível de empenos, permite, recorrendo ao
sistema existente em MSP, arrefecer os lotes mais
rapidamente, diminuindo o cycle time em 30 minutos.
3.6.
Estudo da formulação
De acordo com a bibliografia, como referido no ponto 1.3.,
alterações na formulação do EMC (por exemplo, a nível de
57
04/06/09 8:42:35
Elsa W. Sequeiros
Empenos em substractos durante o processo de encapsulamento de memórias
percentagem e ou dimensões médias das fibras) podem
provocar alterações no nível de empenos de um produto. O
EMC é, entre outros factores, escolhido de acordo com o SOR
dos produtos, podendo-se subdividir em baixa, média, e alta
SOR. Outro factor que deve ter sido em conta é o SVR.
Nesta etapa foram utilizadas duas formulações diferentes de
EMC relativamente à formulação existente em produção para
produtos de média SOR. Relativamente à formulação de
EMC em produção (PROD), fez-se variar a dimensão média
das fibras entre 1 a 2µm (o que afecta o valor do módulo de
contracção – ver tabela 2), obtendo-se as formulações F1 e
F2. O objectivo deste ponto do trabalho foi verificar o
impacto destas formulações de EMC no nível de empenos, em
três produtos seleccionados na gama média SOR.
medidos 3 substratos por lote porém, para cada um dos
produtos, foi medido um número diferente de lotes:
• Para o produto com SOR de 41% foram medidos 30
lotes;
• Para o produto com SOR de 50% foram medidos 33
lotes;
• Para o produto com SOR de 58% foram medidos 7
lotes.
Como a formulação F1 no produto com 41% SOR não trazia
melhorias significativas no nível de empenos,
comparativamente à formulação F2, aquela não foi testada
nos restantes produtos. A formulação F1, relativamente aos
valores PROD, possui valores médios do nível de empenos
semelhantes, embora apresente um desvio padrão menor.
Tabela 2 – Contracções do EMC para cada uma das formulações.
Formulações de
EMC
F1
Módulo de
Contracção (%)
0,28
F2
0,27
PROD
0,31
Procedimento
Dos três produtos de média ocupação de silício usados nesta
etapa do estudo, consta o produto que foi alvo de estudo ao
longo desta dissertação. Na tabela 3, encontram-se os valores
de SOR e SVR para os produtos analisados nesta fase.
Tabela 3 – Valores de SOR e SVR dos produtos seleccionados
para estudo.
SOR (%)
41
50
58
SVR (%)
20
24
22
As medições do nível de empenos foram efectuadas após
Mold, após Mold Cure e após SBA (etapas críticas). Iniciouse o estudo pelo produto dito ‘crítico’ (menor SOR na gama
de média ocupação de silício), no sentido de seleccionar
apenas uma das novas formulações na avaliação dos outros
dois produtos. Em cada uma das avaliações da formulação
do EMC, para cada um dos produtos, foi medido um número
diferente de substratos:
• Para F1 no produto com SOR de 41% foram medidos
15 substratos;
• Para F2 no produto com SOR de 41% foram medidos
9 substratos;
• Para F2 no produto com SOR de 50% foram medidos
12 substratos;
• Para F2 no produto com SOR de 58% foram medidos
12 substratos.
Análise e Discussão de Resultados
No gráfico da figura 35, encontram-se os valores médios
obtidos nas medições do nível de empenos nas etapas críticas e
o respectivo desvio padrão para as formulações F1 e F2, em
cada um dos produtos; os valores PROD apresentados são
valores médios da monitorização realizada em lotes produtivos,
entre o mês de Março e Junho. Nesta monitorização, foram
58
01-95_Final.indd 58
Fig. 35. Gráfico comparativo do nível de empenos nas
diferentes formulações de EMC para os produtos de média
ocupação de silício.
Do gráfico na figura 35 podemos verificar que:
• A melhor formulação a utilizar será a F2, já que esta
induz melhorias significativas no nível de empenos
em todos os produtos;
• Embora o produto de maior SOR apresente um
aumento de empeno utilizando a formulação F2 o seu
desvio padrão diminui; note-se que o nível de
empeno não ultrapassa os valores especificados
(+600 a -400 µm);
• Para o produto com SOR intermédio (50%) a
formulação F2 provoca uma mudança de forma após
as etapas de Mold Cure e SBA de crying face para
smilling face.
• Variando o produto os empenos variam de
comportamento, forma e nível, ao longo das etapas
críticas.
Uma diminuição do módulo de contracção induzido pela
diminuição do tamanho das fibras provoca melhorias no nível
de empenos, para produtos de média ocupação de silício.
Como descrito no ponto 1.3, verifica-se que alterações no
EMC induzem diferenças ao nível de empenos, podendo estas
ter um impacto positivo em produção, ou seja, melhorando a
processabilidade dos diversos produtos.
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Empenos em substractos durante o processo de encapsulamento de memórias
De acordo com Chien et al. [13], o nível de empenos é
dependente: do tamanho do die, design do produto e das
propriedades do EMC, variando o nível e forma de empenos
de produto para produto. De forma a obter níveis de
empenos mais baixos, os autores efectuaram alterações na
formulação de EMC (adicionando proporções diferentes de
resina/endurecedor flexível), alterando algumas das suas
propriedades principais, nomeadamente, Tg e módulo de
contracção. O aumento de resina/endurecedor flexível no
EMC baixa a Tg e aumenta o módulo de contracção. Devido
a diferenças entre produtos, a solução para diminuir o nível
de empenos não é a mesma: para empenos com a forma
crying face, pode-se baixar o nível de empenos usando
EMC’s com baixa Tg e módulo de contracção elevado
enquanto para empenos com forma smilling face, o nível de
empenos é melhorado utilizando EMC’s com elevada Tg e
baixos módulos de contracção.
De acordo com a bibliografia e com os resultados obtidos a
melhor forma de melhorar o nível de empenos, após Mold, é
alterar as formulações de EMC, efectuando pequenas
alterações nas suas propriedades fundamentais. Desta forma,
é possível diminuir o impacto dos empenos em produção.
Porém, como os empenos variam de produto para produto,
será necessário chegar a formulações de EMC que sejam
viáveis para um leque alargado de produtos.
4.
DISCUSSÃO GERAL DE RESULTADOS
De forma a entender melhor os diferentes resultados obtidos
ao longo das diferentes etapas de processo do produto em
estudo, a figura 36 apresenta um gráfico geral com os
resultados do nível de empenos para as três etapas críticas
do processo de Assembly, em três das fases deste trabalho:
(1) influência das diversas etapas do processo de Assembly;
(2) influência do fornecedor de substrato, e (3) influência do
factor anti-warpage; tendo como base de comparação os
resultados da monitorização efectuada em produção
(PROD). Cada uma destas avaliações encontra-se
demarcada pelos quadrados cinzentos.
Elsa W. Sequeiros
Em todas as avaliações foi medido um número diferente de
substratos: 112, 36, 12 e 91. A diferença do nível de
empenos nas diferentes avaliações efectuadas pode ser
explicada por estas terem sido realizadas em alturas
diferentes na linha de montagem pelo que os batches de
materiais utilizados na montagem das memórias não são os
mesmos; também os equipamentos onde foram processados
são diferentes. Contudo, o batch de MCT da 1ª avaliação é o
mesmo que o utilizado na 2ª avaliação, e o batch de EMC
utilizado na 2ª avaliação é o mesmo que o utilizado na
avaliação do anti-warpage. As diferenças entre batches de
substratos e de EMC não justificam as diferenças
apresentadas no gráfico ilustrado na figura 36.
Chien e et al. [13] referem que pequenas variações em
produção, quer em parâmetros do processo (utilização de
equipamento diferente), quer em algumas propriedades dos
materiais utilizados na montagem de memórias (o EMC e
adesivo, de batch para batch, poderá ter pequenas oscilações
nas propriedades Tg, E e módulo de contracção), têm
impacto no nível de empenos.
5.
CONCLUSÕES
O estudo de empenos em substratos durante o processo de
Assembly realizado por etapas permitiu retirar as seguintes
conclusões:
A análise da influência das etapas do processo de Assembly
no nível de emepnos destaca 3 etapas do processo como
críticas:
• Mold;
• Mold Cure;
• Solder Ball Attach.
Não foi detectada influência por parte do fornecedor de
substratos no nível de empenos.
Relativamente ao
armazenamento:
factor
tempo
e
condições
de
• O aumento de tempo entre as etapas do processo
conduz a um aumento sgnificativo do nível de
empenos em condições ambientais de sala limpa;
• O armazenamento dos lotes (entre etapas) em
armário de nitrogénio reduz o aumento do nível de
empenos.
A não activação do sistema anti-warpage pode levar a um
incremento do nível de empeno na ordem dos 200 µm, o que
pode vir a causar problemas em produção durante as etapas
de SBA e Singulation.
O arrefecimento forçado mostrou ter impacto positivo
apenas a nível de cycle time, não afectando
significativamente o nível de empenos após Mold Cure.
Fig. 36. Gráfico geral que engloba resultados do nível de
empenos em cada etapa críticas do processo de Assembly,
obtidos em diferentes fases do estudo.
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Uma diminuição do módulo de contracção, induzido pela
diminuição do tamanho médio das fibras, provoca melhorias
no nível de empenos para produtos de média ocupação de
silício.
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Elsa W. Sequeiros
Empenos em substractos durante o processo de encapsulamento de memórias
Manufacturing Technology Symposium: 273-278,
2003
AGRADECIMENTOS
Agradeço ao Professor Doutor Manuel Vieira a orientação e
o acompanhamento dedicados a este trabalho.
À Qimonda PT na qualidade de empresa na qual se pode
concretizar este trabalho. Agradeço: ao Engº Rui Batista o
desafio, a orientação, o acompanhamento dedicados a este
trabalho e a sua disponibilidade; à Doutora Isabel Barros as
dicas, a orientação e sugestões, assim como a
disponibilidade prestada durante a realização deste estudo.
7.
Process Assembly flow. Qimonda PT, 2007
8.
Almeida C., Barbosa M., Pereira P., Santos R.: Solder
Joint Robustness. Apresentação, Setembro 2007,
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Ciência & Tecnologia dos Materiais, Vol. 21, n.º 1/2, 2009
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